Diversi sono i metodi di rinforzo del vetro basati su processi chimici.

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Stefano Pellegrino
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1 Tempra chimica 1. strato superficiale con! inferiore - processo di scambio ionico - cristallizzazione superficiale Li + o Cu + " Na + nel vetro sodico-calcico T > T g (distorsione, perdita della forma) vetro Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 a 900 C! #-eucryptite ZnO- Al 2 O 3 -SiO 2 a 800 C! willemite, albite, keatite Diversi sono i metodi di rinforzo del vetro basati su processi chimici. Un primo metodo fa riferimento alla creazione di uno strato superficiale con coefficiente di dilatazione inferiore. Ciò può essere ottenuto mediante scambio ionico a temperature superiori alla Tg (per immersione del componente in un sale allo stato fuso) o favorendo la cristallizzazione superficiale (per riscaldamento controllato della superficie del componente). Tali metodi sono però scarsamente utilizzati, poiché con il processo a scambio ionico si verificano possibili distorsioni o perdite della forma, mentre con la cristallizzazione superficiale si ha perdita della trasparenza. 1

2 2. processo di scambio ionico a T<T g A + B + B + B + A + A + A + A+ sale fuso raffreddamento compressione vetro Reazione fondamentale: A vetro +B sale = B vetro + A sale parametri: temperatura tempo concentrazione Glass: science and technology, Vol. 5, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl, Academis Press, New York, 1980 Il processo chimico maggiormente utilizzato è quello dello scambio ionico a T<Tg. Tale processo è definito tempra chimica. L oggetto in vetro, contenente uno ione A (per es. Na), è immerso in un sale fuso contenente uno ione B (per es. K), più grande. Lo scambio ionico e il successivo raffreddamento causano la nascita di uno stato di compressione nello strato superficiale (poiché lo ione K + che va a sostituirsi è più grande di quello del Na + ). Il processo (che è diffusivo) è regolato dalla temperatura (migliora con un aumento della temperatura), dalla durata (con il protrarsi nel tempo del trattamento viene favorito lo scambio di ioni in profondità) e dalla concentrazione degli ioni coinvolti nello scambio. La concentrazione dello ione scambiato varia con il tempo (t) e la profondità (x). 2

3 Cinetica della tempra chimica A vetro +B sale = B vetro + A sale flusso: A + $ #c J A = "D A #lna A F E ' A & + c A ) = "J B % #x # lnc A RT ( B + x D J A = " A D B #c A N A D A +N B D B #x #lna A = "D #c A #lnc A #x #lna A # lnc A 3

4 concentrazione: " x % c = c 0 erfc Dt $ # 2 Dt ' massa: M = 2c 0 & " Li +! Na + Li +! Ag C 350 C 400 C 200 C 4

5 Schema del processo industriale oggetti in vetro Lastre di forma varia bagno di sale fuso (KNO 3 ) T = C; t = h lavaggio con acqua Il processo di tempra chimica consiste nell immersione degli oggetti in vetro (anche dalle forme più strane!) in una vasca in acciaio inox contenente il sale fuso (KNO 3 per il vetro sodico-calcico). Si utilizza per questo in genere una gabbia in acciaio inox (la profondità di penetrazione degli ioni non dipende dalle dimensioni dell oggetto). Finito il trattamento, il tutto viene raffreddato e lavato con acqua. 5

6 Sforzi residui prodotti MPa !m compressione trazione Effetti aggiuntivi: rilassamento degli sforzi (T " T strain point ) variazione di! Glass: science and technology, Vol. 5, D.R. Uhlmann and N.J. Kreidl, Academis Press, New York, 1980 Il profilo della concentrazione dello ione scambiato si ripercuote sul profilo dello sforzo di compressione superficiale. Tuttavia, il rilassamento degli sforzi e le variazioni di coefficiente di dilatazione termica con la composizione del vetro determinano profili di sforzo residuo non monotoni (come la concentrazione), soprattutto per durate prolungate della tempra. 6

7 Sistemi più usati vetro sale differenza di raggio ionico (nm) max sforzo di compressione (MPa) Li 2 O-(Al 2 O 3 )-SiO 2 NaNO 3 KNO 3 RbNO Na 2 O-(Al 2 O 3 )-SiO 2 KNO raggio ionico Li Na K Rb 0.07 nm 0.10 nm 0.13 nm 0.15 nm Lo sforzo massimo di compressione ottenibile dipende dalla differenza tra i raggi degli ioni coinvolti nello scambio. In realtà il rilassamento degli sforzi riduce notevolmente la compressione superficiale. 7

8 Resistenza meccanica $ compressione! MPa nei vetri sodico-calcici max 50!m vetri alluminosilicati limitata frammentazione Ceramics and Glasses, Engineered Materials Handbook, vol. 4, ASM international, USA, 2000 Quanto rappresentato nel grafico e in tabella, dimostra come in realtà non ha senso fare trattamenti esageratamente lunghi in quanto la la resistenza non aumenta oltre un certo valore limite. Lo sforzo di compressione superficiale varia in genere tra 100 e 500 MPa. Non dipende ovviamente dallo spessore del componente. Analogamente si hanno valori di resistenza oscillanti tra i 100 e i 600 MPa. Nei vetri sodico calcici la profondità di tempra raggiunge al massimo i 50 µm. Migliore il comportamento dei vetri allumino-silicati che, possedendo una T g superiore, possono essere temprati a temperature più elevate. In tutti i casi il basso sforzo di trazione nel cuore non genera elevata frammentazione al momento della rottura. 8

9 Nuove prospettive Problema: elevata resistenza + affidabilità + sicurezza Soluzione: progettazione del profilo di sforzo residuo al fine di promuovere una crescita stabile dei difetti prima della frattura 9

10 Produzione di " R Vetro alluminosilicato Doppio processo di scambio ionico a. in KNO 500 C per 24 o 120 h (24KN or 120KN) " strato di compressione profondo (K + /Na + ) b. in KNO 3 /NaNO 400 C per 30 min " risostituzione Na + /K + sulla superficie 10

11 Proprietà meccaniche SAS24 $ f = 579 ± 14 MPa SAS120 $ f = 427 ± 24 MPa! R (MPa) SAS SAS24 (b) x (!m) 11

12 Rinforzo del vetro tradizionale tempra convenzionale sforzi residui " f = " f + " c sforzo di compressione superficiale resistenza resistenza iniziale trazione compressione 12

13 Sforzi residui - resistenza + alta resistenza + bassa resistenza 13

14 Sforzi residui progettati alta resistenza alta resistenza D. J. Green, V.M. Sglavo and R. Tandon "Strengthening, Crack Arrest and multiple cracking in Brittle Materials Using Residual Stresses", U.S. Patent 6,516,634,

15 Proprietà meccaniche frammentazione insensiblità alla fatica preavviso della frattura 15

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